Верна ли теория струн, ошибочна или ни то ни другое?

Посмотрите вверх-вниз, вперед-назад, вправо-влево. По всей видимости, ничего другого пространство предложить не может. Разумеется, дополнительные измерения обладают теми же мерзкими особенностями, что и зубная фея и пиратские клады: если вы их не видели, это не значит, что их не существует.

В этой книге мы пару раз упомянули о теории струн. Казалось бы, это чуть ли не панацея от всех болячек современной физики. Теория струн предполагает, что с фундаментальной точки зрения все частицы одинаковы — всего-навсего кусочки струн. Она претендует на роль Теории Всего, а значит, если она справедлива, то общая относительность и слабые, сильные и электромагнитные силы объединятся в единую теорию. Есть надежда, что естественным следствием некоторых моделей теории струн станет исчерпывающее объяснение, что такое темная материя и темная энергия, а значит, мы сразу поймем, почему Вселенная экспоненциально расширяется.

Однако за все надо платить. Теория струн в ее нынешнем виде предполагает, будто Вселенная имеет 10 измерений плюс время.

Чтобы понять, что представляют собой дополнительные семь измерений, вообразите канатоходца под куполом цирка. Сторонний наблюдатель скажет, что движение канатоходца ограничено двумя направлениями — вперед и назад, и никаких других вариантов у него нет¹. Зритель, который смотрит представление, вероятно, даже не разглядит, есть ли у каната толщина,— а если он совсем неотесанный провинциал, поверит, будто канат имеет бесконечно малую толщину и на самом деле является одномерной структурой.

А вот у муравья, ползущего по канату, никаких подобных иллюзий нет. Он может ползти не только взад-вперед по веревке, но и вокруг каната — и это эквивалентно одному из скрытых измерений в теории струн.

Предположим, опция «вниз» не рассматривается. Будем считать, что это очень искусный канатоходец.

Некоторые измерения, вероятно все недостающие семь, весьма и весьма компактны. Вероятно, мы не замечаем этих компактных измерений, поскольку обречены плыть на трехмерной бране по Вселенной, где измерений больше.

Между тем маленькие измерения могут играть очень важную роль, поскольку главный режиссер этого спектакля — квантовая механика. Что будет, если вокруг одного из маленьких измерений обернется петля из струны? В главе 2 мы видели, что если поместить частицу в крошечную коробочку (или в крошечное измерение), частица приобретает уйму дополнительной энергии. В нормальной обстановке мы увидим выражение этой энергии — частица начнет метаться туда-сюда. Единственная сложность состоит в том, что метаться она не может. А следовательно, дополнительная энергия становится, согласно великому уравнению Е = mc², массой частицы.

Беда в том, что нужная для этого энергия примерно в 10¹⁶ раз превышают энергии, которых мы способны добиться в БАК. Иначе говоря, эту теорию, по всей видимости, нельзя проверить экспериментально, так как еще очень и очень долго у нас не будет никакой технической возможности проделать такой эксперимент.

Что бы нам ни говорили, точность научной теории никогда не удается доказать. Если мы говорим, будто теория «верна», значит, нам не удалось ее опровергнуть. Признак хорошей научной теории — то, что ее сторонники должны придумать эксперимент или несколько экспериментов, в ходе которых теория может оказаться ошибочной, но не оказывается. Концепцию «опровергаемое», ставшую основой современной науки, ввел философ Карл Поппер. Это и есть главный недостаток так называемой теории разумного замысла. Недостаточно просто провозгласить, будто ваша теория верна, даже если она объясняет все наблюдаемые на сегодня феномены. Домашнее задание: придумать тест, а в идеале — много тестов, которые ваша теория может не пройти, и если она их не пройдет, вам придется признать, что вы заблуждались. Теория разумного замысла этого не делает.

Как обстоят дела с этим у теории струн? Вспомним некоторые популярные книги, вышедшие в последние годы, с названиями вроде «Даже не ошибка» (Питер Войт) или «Упрямая физика»¹. Главная мысль обеих этих книг — что теорию струн можно привести в соответствие со стандартной моделью, причем нельзя поставить эксперимент, который бы ее опроверг. Отчасти сложность состоит в том, что единой версии теории струн не существует. Количество теорий струн на сегодняшний день колоссально — Смолин насчитывает 10 500, число настолько нелепое по размаху, что даже Знак, герой «Улицы Сезам», подумал бы о смене карьеры.

Похоже, что под теорию струн со всеми ее вариантами вполне можно подогнать любые искажения физических законов. А мы надеялись на нечто прямо противоположное. В идеале мы хотели получить фундаментальный физический закон, который не только опишет все существующие законы физики, но и не потребует для этого никакой подгонки теории.

Woit, Peter. Not Even Wrong; Smolin, Lee. The Trouble with Physics.

В результате нет никакого определенного представления о том, что такое теория струн, а следовательно — как ее проверить. Как пишет Смолин: «На сегодня нет никакой реальной возможности проделать эксперимент, который определенно подтвердил бы или опроверг какое бы то ни было конкретное предположение этой теории». Мы готовы сделать крупную ставку на то, что в обозримом будущем не будет проделан никакой опыт по исследованию количества измерений во Вселенной, так что даже если мы живем не в трехмерном мире, надо вести себя так, словно измерений именно три.

На сайте mebellavka.com.ua Вы сможете найти все, что Вас интересует по теме «стеклянные столы киев» и при желании приобрести качественную и недорогую мебель, не отходя от компьютера.

Что такое темная энергия? >>

Когда-то этот мир был полон воды: на его поверхности били гейзеры и шумели океаны.

Но сейчас это всего лишь покрытая льдами безжизненная пустыня, прозванная астрономами ‘Снежной Королевой’ (Snow White), которая покоится на самом краю Солнечной системы и доживает последние миллиарды лет своего бесславного существования. Читать дальше>>

• Космический океан изо льда простирается на 1600 световых минут, что в 200 раз больше расстояния между Землей и Солнцем.
• Вблизи большинства молодых звездных систем могут существовать подобные океаны
• Воду в новорожденные миры доставляют упавшие на их поверхность ледяные кометы (именно таким образом, по мнению ученых, появилась вода на нашей планете).

При помощи сврхмощного космического телескопа «Гершель» (Herschel Space Observatory) астрономам удалось обнаружить гигантский ‘диск’ ледяного пара, сформировавшийся вокруг молодой звезды, которая далеком в будущем станет ‘солнцем’ для планетарной системы.
Читать дальше>>

Какова масса нейтрино?

Обсуждая кандидатов на роль темной материи, мы поговорили и о нейтрино и тут же отмели его. «Легковат»,— сказали мы. Если бы вы спросили нас, какова на самом деле масса нейтрино, мы бы начали ерзать и опускать глаза. Попросту говоря, мы не знаем, а долгое время вообще полагали, что нейтрино лишены массы. Оказывается, это не так, но первые признаки того, что нейтрино обладают массой, мы пронаблюдали практически случайно.

Природные фабрики нейтрино

Нейтрино — этакие проказливые чертенята. Поскольку они участвуют только в слабом взаимодействии, их нельзя взвесить, а поскольку они электрически нейтральны, на них не действуют электромагнитные поля. Зато мы можем создавать их в ядерных реакторах, и природные реакторы, они же звезды, производят их в изобилии.

Мы расскажем вам одну историю. Примерно 160 тысяч лет назад в одной галактике неподалеку от нас — в Большом Магеллановом Облаке — произошла вспышка сверхновой. Поскольку свет добирается до нас не мгновенно, увидели мы эту вспышку лишь в 1987 году, и это было одно из самых примечательных астрономических событий в истории человечества. Вместе с излучением во время вспышки высвободилось громадное количество нейтрино — настолько громадное, что очень много нейтрино долетели до Земли. Нам повезло, у нас были наготове мощные детекторы, и мы засекли пик нейтрино в тот самый момент, как только увидели свет вспышки. То есть нейтрино прибыли к нам если не со скоростью света, то по крайней мере настолько близко к скорости света, что мы не были в состоянии отметить разницу. Это было предпоследнее свидетельство в пользу того, что если нейтрино и не лишены массы, они необычайно легкие даже по субатомным стандартам.

Наверное, вы думаете, будто то, что мы установили и настроили мощные детекторы как раз перед вспышкой сверхновой 1987А — это крайнее везение. Ну что вы, везение тут ни при чем, и вам это станет понятно, когда мы расскажем, как выглядят некоторые детекторы нейтрино. Это гигантские подземные бассейны с суперчистой водой. Вспомнили? Ну конечно. Многие из установок для опытов по распаду протонов в результате сослужили двойную службу¹ — стали обсерваториями нейтрино.

Предсказать вспышку сверхновой невозможно, поэтому представляется несколько неконструктивным дожидаться сверхновой в надежде наловить нейтрино. К счастью, сверхновые — не единственные фабрики нейтрино. Наше собственное Солнце вырабатывает нейтрино в похожих количествах вместе с фотонами в ходе своих термоядерных упражнений. Просто фотоны больше бросаются в глаза.

Ловлей нейтрино мы занимаемся уже довольно давно. В 1960-е годы большой интерес вызывали попытки засечь нейтрино с Солнца, поэтому Рай монд Дэвис из Брукхавенской национальной лаборатории и Джон Бакалл, который тогда работал в Калифорнийском технологическом институте, возглавили работу по строительству… да, вы угадали: гигантского подземного бассейна.

¹Или одинарную — ведь распада протонов пока никто не пронаблюдал.

Обсерватория Хоумстейк, построенная в заброшенных золотых копях в Южной Дакоте, на самом деле была бассейном на тысячи кубометров, наполненным моющим средством¹. Нейтрино влетает, ударяется о какой-нибудь атом хлора, превращает хлор в радиоактивный аргон, а аргон распадается, испуская свет. Проще некуда!

¹Мы предпочитаем перхлорозтилен — у него такой яркий букет,— но в крайнем случае можете использовать и тетрахлор-этен. Нейтрино он ловит ничуть не хуже, и ваши гости не заметят разницы.

Единственная сложность состоит в том, что детекторы не принесли ожидаемых результатов. Бакалл предсказывал, что будет получено раза в два-три больше нейтрино, чем засекли на самом деле. Последующие эксперименты, в которых вместо моющего средства использовалась вода, показали то же самое.

Кто-то крадет почти все нейтрино! Но кто?

Хотите раскрасить свои серые будни яркими красками? Тогда Вам просто необходимо сделать надпись на футболке, которая станет зеркальным отражением вашего настроения и непременно привнесет в вашу жизнь огромное количество креативного позитива.

Подлог и мошенничество в мире нейтрино >>

Глава 9

Будущее

Если научная фантастика прошлых лет имеет хоть какое-нибудь значение, наша планета уже давно должна была бы кишмя кишеть киборгами, которые чуть что размахивают лазерными мечами, превращаются в огнеметы и питаются зелеными пищевыми концентратами из планктона. У нас есть GPS-навигация и беспроводные клавиатуры, но где наши колонии на Луне? И нельзя винить в этом писателей-фантастов. Предсказать будущее очень трудно. Например, кто мог предсказать, что мы будем рассуждать о десятимерном пространстве или об ускорении Вселенной, состоящей в основном из темной материи и темной энергии?

Мы посвятили много времени описанию нынешнего положения дел в физике, но то и дело были вынуждены украдкой отходить от определенных заявлений и предаваться робким спекуляциям. Невежество — хорошая отправная точка, и мы выявили в наших теориях ограничения. Вероятно, мы сумеем от них избавиться, если подберем нужные инструменты¹. Так что пристегните портативные реактивные двигатели: последнюю главу книги мы посвятим судьбоносным вопросам, на которые, как мы надеемся — нет, как мы предсказываем! — мы сможем ответить в ближайшие двадцать лет.

Два литра диетической колы, полдюжины аспирантов-невротиков и телега грантовых денег.

I. Что такое темная материя?

Представляется, что наша Вселенная куда страннее, чем нужно. Например, мы обнаружили, что в ней царит загадочная темная энергия, а большинство остальной массы не имеет к нам никакого отношения, потому что состоит из некоей темной материи, которая не взаимодействует со светом (потому и темная), но является источником гравитации (потому и материя). Иначе говоря, это название если что и описывает, то лишь наше невежество. Это, прямо скажем, немногим лучше, чем заявить, будто гравитацию наколдовали феи.

Кое-кто из сообщества физиков сильно сомневается, что темная материя действительно существует, поскольку никаких частиц темной материи мы до сих пор не открыли. Астрофизики, в конце концов, честно делают свое дело и предлагают самые простые объяснения того, что они наблюдают, но ведь это не означает, что они обязательно правы. «Очевидная» на первый взгляд интерпретация не раз и не два оказывалась ошибочной. Очевидно, что планеты и звезды движутся вокруг Земли, и так и считали до 1500-х годов, когда Коперник предположил, что это Земля движется вокруг Солнца.

Некоторые скептики так рвутся избавиться от идеи темной материи, что предполагают нечто немыслимое — Или почти немыслимое: они заявляют, что Ньютон и Эйнштейн заблуждались. Было предложено множество теорий, которые пытаются подогнать эйнштейновские уравнения гравитации под данные наблюдений без опоры на всю эту жуткую темную материю. В последние годы большой интерес вызывали теории модифицированной ньютоновой динамики (Modified Newtonian Dynamics, MOND). Как известно, слово mond по-французски означает «мир»¹. Основной ее принцип гласит, что на небольших масштабах, например в Солнечной системе и на Земле, гравитация действует именно так, как предсказывали Ньютон и Эйнштейн, однако на более крупных расстояниях, например в масштабе галактик и больше, все обстоит несколько иначе.

Давно мечтаете поменять свой старенький телевизор, но никак не можете накопить нужную сумму? Не отчаивайтесь, сайты объявлений станут решением вашей проблемы. Советую Вам обратить свое внимание на сайт Сландо, который Вы сможете найти по адресу vgg.slando.ru.

Мы не собираемся отстаивать общую теорию относительности только потому, что это любимое детище Эйнштейна. Он много в чем ошибался². С другой стороны, общая теория относительности крайне «элегантна», а на жаргоне физиков это означает, что поскольку уравнения так просты, трудно представить себе, что они неверны. А принять MOND в ее нынешнем виде нам трудно, поскольку она предлагает вместо одной необъяснимой константы (количество темной материи) другую (масштаб, на котором гравитация из «нормальной» становится « модифицированной »).

¹ Физики превратили странноватые сокращения в настоящее искусство.

² Вспомните, например, ЭПР-парадокс из главы 3. И, несмотря на все его предостережения, мужчины до сих пор носят штаны.

Хуже того, при помощи MOND очень трудно объяснить все наблюдения, согласующиеся с наличием темной материи. MOND великолепно отвечает на вопрос, который стоит перед нами уже сто лет и заключается в том, что во Вселенной не хватает массы, чтобы удерживать вместе галактики и скопления звезд. Поскольку MOND решает эту задачу, нам не нужна никакая темная материя — по крайней мере так говорят.

Но и это еще не все! Наблюдения некоторых звездных скоплений, в частности скопления «Пуля», при помощи метода гравитационных линз недвусмысленно показывают, что существуют крупные объемы материи, никак не связанные ни со звездами, ни с газом. Наблюдения далеких сверхновых доказывают, что темпы расширения Вселенной меняются со временем, намекая на то, что материи в ней гораздо больше, чем объясняет наличие одной только барионной материи. Наконец, все свидетельствует о том, что с космологической точки зрения Вселенная плоская — что, в свою очередь, лишний раз подтверждает, что 85% массы Вселенной — темная.

Мы готовы поставить все наши деньги за то, что существует частица, на которой ясно написано «темная материя»,— частица, которая, как сказали бы французы, станет le fin du MOND — «концом света».

Чем не может быть темная материя?

Примем за данность, что темная материя существует, но умеет ловко прятаться. Хотя мы еще не знаем, что такое темная материя, мы кое-что знаем о том, чем она быть не может. Заряда у нее нет, иначе она бы взаимодействовала со светом. Кроме того, это означает, что ее нельзя ощутить. Все, что вам случалось трогать, как-то «ощущается», поскольку электрические поля вашей руки отталкиваются от электрических полей всего того, что вы пытаетесь потрогать. Если нет электрического поля, ваша рука пройдет сквозь предмет, а вы ничего и не заметите.

В стандартной модели физики имеется лишь две известные частицы, которые можно подозревать в причастности к темной материи,— нейтрино и нейтрон. К сожалению, нейтрино обладает слишком маленькой массой, а одинокие нейтроны распадаются минут через десять. Поскольку Вселенная несколько старше, нейтроны — не совсем то, что мы ищем. Может показаться, будто на данный момент у нас нет верного кандидата, но не надо забывать, что физики необычайно хитроумны, и хотя пока что налицо дефицит частиц темной материи, нет никаких причин полагать, что мы ничего не придумаем¹. В число частиц-подозреваемых вошли аксионы, миниатюрные черные дыры, монополи Дирака, крупицы кварков (quark nuggets) и многие другие. Некоторых подозреваемых, например черные дыры или монополи Дирака, оправдали на основании наблюдательных и экспериментальных данных, но подтвердить обвинение в темных делишках еще ни разу не удалось — даже отдаленно.

Однако многие физики-ядерщики полагают, что во Вселенной существуют так называемые WIMP — причем в огромных количествах. Слово wimp означает «нытик », но наши WIMP — это вовсе не жертвы школьной травли с вечно хлюпающими носами и бесперебойные источники карманных денег, a Weakly Interacting Massive Particles, то есть массивные частицы слабого взаимодействия; в очередной раз название описывает все то, что мы и так не знаем. Темная материя, конечно, обладает массой, а поскольку она не участвует в сильном и электромагнитном взаимодействии, то резонно предположить, что она участвует в слабом².

¹ Открыть новую частицу не так просто, как нарисовать кружочек на клеенке, на которой остались следы от чашек с кофе. Физики-теоретики годы напролет изучают симметрии, организуют эксперименты в ускорителях стоимостью миллионы долларов и в конце концов рисуют кружочки на салфетках, облитых шампанским на банкете по случаю получения Нобелевки.

² Мы несколько передергиваем факты. Как мы уже сказали, существует много кандидатов на роль темной материи, в том числе аксионы, черные дыры и монополи Дирака, которые не являются WIMP. Но мы бы все-таки делали ставку на какой-то вариант WIMP.

Итак, WIMP — хорошее название в том смысле, что оно описательное, но плохое в том смысле, что оно нам почти ничего не говорит. Перед теоретической физикой стоит задача предсказать, что такое WIMP. В нашем случае предсказать означает не просто заявить, что они существуют. Хорошая теория должна рассказать, какая у WIMP масса, с какими частицами и как часто они взаимодействуют, когда и как образовались.

Суперсимметрия >>

II. Сколько существует планет, пригодных для обитания?

В те времена, когда была основана организация SETI, мы знали о существовании ровно девяти планет, все как одна — в пределах нашей Солнечной системы. Поскольку Плутон впоследствии был понижен в звании до «карликовой планеты», а на всех остальных или жарко, или холодно, или они сделаны из газа, возникало искушение сказать, что перспективы найти другую цивилизацию или планету-колонию (если мы в конце концов окончательно загадим свою) весьма и весьма туманны. Не то чтобы мы были уверены, будто у других звезд планет нет. Просто мы их к тому времени еще не обнаружили¹.

Все изменилось в конце 1980-х — начале 1990-х годов, когда планеты начали открывать направо и налево. Обычно планеты мы открываем, поглядев на звезду; планеты вертятся вокруг своего солнца, а солнце, строго говоря, тоже вертится вокруг планет, хотя и очень слабо. Если планета достаточно массивна и достаточно близка к своей звезде, то звезда чуть-чуть колеблется при каждом проходе планеты по орбите — и это можно измерить, чтобы определить массу планет.

Мы даже сумели прямо пронаблюдать кое-какие из свежеоткрытых планет. В 2008 году группы ученых из Беркли и университета Герцберга в Британской Колумбии засняли изображения планетарных систем, известных как Фомальгаут-Ъ и HR 8799 соответственно. Но не думайте, будто нам показали фотографии роскошных пляжей и городских пейзажей. Каждое фото размером всего в один пиксель. Более того, эти экзопланеты не назовешь туристскими местечками. Все они гораздо массивнее Юпитера и, скорее всего, состоят из газа.

В начале 2009 года НАСА запустило спутник «Кеплер». Этот инструмент будет последовательно наблюдать около 100 тысяч звезд и высматривать признаки планет, вращающихся вокруг них. Когда планета проходит перед своей звездой, свет звезды чуть-чуть тускнет.

¹ «А в куртке смотрел? А в пиджаке? А в штанах? Нет-нет, в брюках!»

Поскольку это периодический эффект, то такое потускнение позволяет вычислить продолжительность планетарного года, размер планеты, расстояние до звезды и другие основные свойства.

Пока что мы обнаружили вне Солнечной системы больше 300 планет, и, по грубым оценкам, планеты есть примерно у 15% звезд, причем у многих не по одной, а больше. Однако подавляющее большинство обнаруженных до сих пор планет гораздо больше похожи на Юпитер, чем на Землю, и там отнюдь не курорт, если вы, конечно, не особый любитель плавать в гигантской газовой сфере, состоящей из Водорода.

Нам бы, конечно, хотелось обнаружить каменную планету — «земного типа», как говорят знающие люди. Это очень непросто. Поскольку планеты земного типа гораздо менее массивны, чем газовые гиганты, они заставляют свою звезду колебаться гораздо меньше, поэтому их куда как труднее обнаружить, чем их более крупных сестер-юпитериа-нок. Но мы над этим работаем. Есть надежда, что спутник «Кеплер» обнаружит множество Земель, просто мы не знаем, сколько именно. Спутник сконструирован так, что везучая инопланетная цивилизация, создавшая свой вариант «Кеплера», сможет засечь Землю.

Сколько существует планет, пригодных для обитания? Часть II >>

ГЛАВА 8

ИНОПЛАНЕТЯНЕ

Физикам частенько приходится сталкиваться с самыми головоломными и трудными вопросами. Мы уже поговорили о начале времен, о конце времен и обо всем, что посередке. Мы возились с огромными кусками пространства и разбирались, откуда берется материя. Обсуждая квантовую механику, мы даже неловко повертели в руках ответы на главный вопрос философии — вопрос о свободе воли и детерминизме. Все наши разговоры отличает определенный оттенок странноватой жути, и самая безопасная научная политика зачастую оказывается такой: смирись, склони голову, пробейся сквозь вычисления и посмотри, что у тебя получится, а потом загляни в ответ¹.

К сожалению, в конце книги, как правило, приводятся не все ответы, а только через один.

В то же время в общественном сознании угнездилось распространенное представление о том, что если думать о физике в масштабе Вселенной, можно понять что-то важное и особенное в подлинной природе реальности или разобраться наконец, одни ли мы во Вселенной. Когда человеку задают такие вопросы, он заливается краской и вспоминает, что еще не пробился сквозь вычисления. От крупных эзотерических вопросов так просто не отмахнешься. Как известно, Ньютон был и величайшим физиком своего времени (а то и всех прочих времен), и убежденным христианином. В промежутках между изобретением физики и математического анализа у него оставалось достаточно времени на то, чтобы поразмыслить, сколько ангелов уместится на кончике иглы. Использование физики для решения нефизических задач — прием, имеющий славное прошлое, а значит, если нас спросят, верим ли мы в инопланетян, недостаточно прикинуться дурачками. Надо прикинуться умниками.

I.I Ну и где они все… Инопланетяне? Часть I

Начнем с очевидного. Если вопрос не относится к физике, это вовсе не значит, что нам нельзя ввернуть в беседу пару-тройку остроумных реплик. Например: «Был ли у нас хоть один контакт с инопланетянами?»

Простейший ответ — поскольку мы не сторонники конспирологических теорий, а следовательно, не верим в закрытые «зоны» контактов, то твердо уверены, что на Земле ни разу не терпел крушение корабль пришельцев. Конечно, нам хотелось бы в это верить, но все равно, если окажется, что нас посещали инопланетяне, мы сильно удивимся.

Человечество отправляет сигналы в космос всего только 60 лет. Инопланетяне не стали бы посещать нас, если бы не засекли подозрительные сигналы с Земли и не захотели в результате проверить, откуда они исходят (хотя это желание, вероятно, угасло бы, если бы они сумели посмотреть перехваченные телепередачи). Если предположить, что они отправились в путь, как только засекли сигналы, все равно добраться до нас они бы смогли с максимальной скоростью чуть меньше скорости света.

Инопланетяне, которые могли бы нас посетить, должны жить на расстоянии около 30 световых лет от Земли. В пределах этого расстояния расположено около 400 таких звезд, но до сих пор у нас не было никаких прямых доказательств, что у какой-нибудь из них есть планеты, похожие на Землю, не говоря уже об обитаемых и тем более — населенных разумными существами. Более того, поскольку наши сигналы необычайно слабы, едва ли какая-нибудь инопланетная цивилизация заметила бы нас, если бы даже хотела.

Однако Вселенная так велика, что возникает чувство, будто в ней должны найтись и другие цивилизации. Энрико Ферми, один из величайших физиков XX века, сформулировал основную проблему следующим образом: только представьте себе, сколько во Вселенной звезд. Есть все шансы, что на некоторых из этих звезд зародилась и развилась разумная жизнь — если только наша Земля по какой-то непонятной причине не оказалась совсем уж уникальной. Эта разумная жизнь впоследствии — и это главное — распространится на другие планеты.

Если можно хоть в какой-то мере полагаться на наш земной опыт, люди (или инопланетяне, подобные людям) стремительно заселяют каждый обитаемый уголок. Раз Вселенная такая старая, она, казалось бы, должна быть битком набита разумными существами, и мы бы уже сто раз с ними проконтактировали. Как сказал Ферми: «Ну и где они все?»

Ферми достаточно вольно обращался с цифрами и, вероятно, питал чрезмерный оптимизм по поводу перспектив путешествий со сверхсветовой скоростью и колонизации других галактик. Однако парадокс Ферми заставляет нас применить наши познания в физике и астрономии, чтобы вычислить, какова вероятность, что где-то во Вселенной есть инопланетяне с билетом до Земли в кармане. Итак, каковы шансы, что в нашей Галактике есть другие разумные существа, учитывая все, что мы знаем о ней?

Самый простой подход — долго и по многу раз наблюдать множество соседних звезд. В принципе, сверхцивилизация, которая хочет разрекламировать всему миру свое существование, посылала бы во все стороны радиосигналы с распознаваемыми закономерными последовательностями чисел, чтобы другие разумные цивилизации могли их зарегистрировать и расшифровать. Мы не так развиты и пока что можем лишь принимать сигналы — нам не по силам развить такую мощность, чтобы посылать информацию к другим звездам. Если этот сценарий вам чем-то знаком, неудивительно. Это главный принцип романа Карла Сагана «Контакт», написанного в 1985 году и впоследствии экранизированного,— получился отменный фильм с Джоди Фостер¹.

Хотя все эти разговоры о контакте — не более чем мечты, наука, которая стоит за поисками внеземных цивилизаций, очень и очень серьезна. С 1960-х годов существует весьма активная исследовательская группа под названием «Поиски внеземного разума» (Search for Extra-Terrestrial Intelligence, SETI), цели которой полностью описаны в названии². Не хотим вас огорчать, но пока что поиски внеземных цивилизаций не принесли ничего такого, о чем стоило бы рассказать приятелям за чашкой чая.

¹Один из, многих случаев, когда киноиндустрия помогла астрофизическому сообществу, предположив, будто наша планета населена прехорошенькими сексапильными дамочками.

² Некоторое время этот проект не получал правительственной поддержки, поэтому с 1999 года опирается на помощь отдельных пользователей компьютеров, чтобы прокачивать колоссальные объемы данных, полученных с телескопов- Если вы тоже хотите помочь, посмотрите в Интернете SETI @ Home.

Встретили девушку своей мечты, но стесняетесь пригласить ее в свою холостяцкую берлогу? И не напрасно, ведь все знают, что дизайн квартир в полной мере описывает характер своих хозяев, вследствие чего у Вашей возлюбленной вполне может сложиться негативное о Вас мнение. Из этой непростой ситуации существует единственный правильный выход – обратиться за специализированной помощью к специалистам архитектурно-строительной компании Триан.

Могли бы инопланетяне посетить нас, если бы хотели? >>

VIII. Что было до начала?

Не будем лениться и повторим: общая теория относительности предполагает, что никакого «до Большого взрыва» не было. Крошке Билли достаточно знать, что никакого времени тогда не существовало. Однако некоторое пространство для маневра у нас есть. Поскольку мы не знаем даже с отдаленным подобием определенности, что произошло до планковского времени, мы уж точно не знаем, что происходило до Большого взрыва. Так или иначе, нам остается одна из двух возможностей.

1. У Вселенной был некоторый момент начала — в этом случае у нас остается больной вопрос о том, что привело к ее созданию.

2. Вселенная была всегда — в этом случае существует буквально бесконечное количество историй, как до нас, так и после.

Ни тот ни другой вариант нас полностью не удовлетворяет, и оба ставят перед нами проблемы, которые не по зубам даже религиям. Например, Ветхий Завет начинается со слов «В начале». Следует понимать, что мир создал Бог. В таком случае Вселенная — наша Вселенная — началась в определенный момент. Однако сам Господь, как предполагается, вечен. Чем же он занимался до создания Вселенной?

Ничуть не лучше предположить, будто Вселенная ни с того ни с сего взяла и создала сама себя. Тогда надо сформулировать сколько-нибудь жизнеспособную модель, объясняющую, что заставило Вселенную все это затеять. Особенно хитроумный фокус (или теорию, если вам так больше нравится) предложил в 1982 году Алекс Виленкин из Университета Тафте — он показал, что данные квантовой механики проливают некоторый свет на возникновение мультивселенной.

Во-первых, Виленкин отметил, что если нам надо каким-то образом доказать, что Вселенная началась с крошечного пузырька, следует учесть, что могло произойти два события. Если бы пузырек был достаточно велик, энергия вакуума заставила бы его расширяться и подвергнуться инфляции. Если бы пузырек был слишком мал, он бы схлопнулся. Но мистер Хайд в главе 2 преподал нам важный урок. Когда имеешь дело с квантовой механикой, все происходит не так, как ожидается. Помните, как Хайд «случайно» появлялся из дыры в земле? Точно так же маленькая вселённая могла бы случайным образом туннелироваться в более крупную. Модель Виленкина поражает тем, что даже если сделать «маленькую» вселенную — сколь угодно маленькую,— туннелирование все равно возможно. Оно возможно даже в том случае, когда вселенная вообще не обладает никаким размером. А как мы называем нечто лишенное размера? Ничто.

До Большого взрыва Вселенная находилась в таком состоянии, когда ее размер (честное слово) равнялся нулю, а время было неопределенным по своей сути. Затем Вселенная туннелировала из ничего в расширяющуюся ветвящуюся Вселенную, которую мы уже видели. Проблема в том, что «ничто», из которого возникла Вселенная, было не совсем ничто. Оно должно было каким-то образом понимать, что такое квантовая механика, а нас приучили думать, что физика присуща Вселенной имманентно. Неприятно думать, будто физика существовала до начала Вселенной или, если уж на то пошло, до начала времен.

Разумеется, это основная проблема любой теории происхождения Вселенной. Получается, что вся эта сверхсложная структура должна была возникнуть из ничего, и это не укладывается в голове.

Вторая возможность так же огорчительна. Мультивселенная вполне способна быть буквально вечной или по меньшей мере обладать бесконечной историей. Углубляться в философию или теологию мы здесь не будем. Однако мы вправе задать вопрос о том, как же устроена бесконечная Вселенная.

Если для Вас самая лучшая часть дня – утро, которое Вы проводите наедине с собой, неторопливо попивая чай из китая и только начинаете постигать азы чайных традиций поднебесной? Тогда настоятельно рекомендую Вам посетить сайт www. mstea.ru.

Теории мультивселенной >>

Один из стоматологических салонов в токийском районе Гиндза (Ginza) стал очень популярным среди молодых девушек, после того как в списке его услуг появилась процедура по искривлению зубов, служащая исключительно для увеличения эфемерного показателя красоты, получившего в Японии название «йоба» (yaeba). Читать дальше>>

Глава 7

БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ

У нас, создателей «Руководства», детей пока что нет, но мы об этом наслышаны. Один из самых неловких диалогов с маленькими детишками (по крайней мере нам так говорили) начинается с того, что крошка Билли спрашивает: «Откуда я взялся?» Но этот день, если он, конечно, наступит, не застанет нас врасплох: у нас уже готов план. Мы собираемся протянуть время, начав с самого начала¹, а речь поведем о пиратах, поскольку детишки обожают пиратов.

Кроме того, мы хотели бы польстить себе мыслью, что уж наши-то детки будут понимать сложные вопросы вроде расширения Вселенной, Всеобщей теории всего и происхождения материи еще в колыбельке. Нет уж, никакого сюсюканья, а только зарождение Вселенной и приключения в бурных морях!

Хотя мы могли бы начать с самого начала и добраться до нынешнего момента в хронологическом порядке, на самом деле разумнее было бы объяснить происходящее задом наперед. Наша история начнется с конца и расскажет, как мы дошли до жизни такой. Наш бравый капитан пиратского судна по прозвищу Кровавая Борода только что потерпел сокрушительное поражение от испанской армады и героически утонул вместе со своим кораблем. Некоторые его матросы оказались не такими храбрыми и спаслись в шлюпках, а теперь расплываются во все стороны. Одни гребут быстро, другие медленно.

¹ Мы допускаем, что использовать в разговоре о таких деликатных материях выражения вроде «Большой взрыв» чревато тем, что, когда крошка Билли подрастет и разберется, откуда он на самом деле взялся, для него это может оказаться травмой. Пусть психологи разбираются.

Наблюдатель, прибывший на место происшествия с опозданием, увидит только спасательные шлюпки (поскольку Кровавая Борода уже давно оказался в гостеприимных объятиях Дейви Джонса), но если он (наблюдатель) достаточно умен, то сообразит, что все они расплываются из одной точки. Отметив, на какое расстояние успели отплыть трусливые пираты, наблюдатель даже сможет сказать, давно ли произошла битва. Все это, как вы понимаете, метафора. На самом деле шлюпки — это галактики, а как мы видели в последней главе, почти все галактики разлетаются друг от друга. Разумно предположить, что когда-то в незапамятные времена галактики буквально сидели друг у друга на голове — примерно как шлюпки на пиратском судне.

Как и во всех сказках, в нашей пиратской истории есть не только зерно правды, но и вопиющие противоречия. Было бы очень просто сказать, будто галактики расплываются от некоей общей точки в пространстве, — но мы не можем пойти на такую ложь. Зато можем сказать вот что: Большой взрыв произошел повсюду и одновременно. Это очень важно, поскольку почти все, а не только крошка Билли, уверены, будто Большой взрыв произошел в каком-то определенном месте. Та же история, как мы видели в главе 6, произошла и с расширением Вселенной: это пространство расширяется, а галактики на самом деле стоят на месте.

В нашей истории есть и еще одна деталь, которую мы пригладили и завуалировали. Вселенная не создавалась сразу готовенькой, со встроенными галактиками. Поначалу были всего-навсего газ и темная материя. Это все равно что трусливые пираты покинули бы тонущий корабль с коробками из ИКЕА и, покачиваясь на волнах, потихоньку собирали бы свои шлюпки. Главный инструмент в наборе «Сделай сам галактику» — это гравитация¹. Из главы 2, если не из школьного курса физики, вы запомнили, что вся материя во Вселенной притягивается друг к другу. Вскоре после Большого взрыва получилось так, что в отдельных областях пространства оказалось больше материи, чем в других, и если бы мы понаблюдали над небольшим комочком материи, который был чуточку плотнее среднего, то увидели бы кое-что интересное.

¹ Эквивалент маленького стандартного шестигранного сборочного ключа.

Близлежащий газ и темная материя притягивались бы к нашему комочку, и он постепенно становился бы все больше и больше и в конце концов превратился бы в галактику — совсем как те, которые мы наблюдаем сегодня.

Но в главном мы вас не обманули: все атомы (и темная материя, и темная энергия), из которых состоит все, что мы видим (и не видим), изначально были навалены в одну громадную кучу, а теперь нам надо объяснить, что произошло с тех пор и по сей день. Начали мы со вселенной, которая была бесконечно мала. Так что можете смело объяснить крошке Билли, откуда он взялся: он появился в результате Большого взрыва¹.

Но крошка Билли развит не по годам и обязательно заметит, что мы на самом деле не ответили на его вопрос. Если причина возникновения Вселенной — это Большой взрыв, то что стало причиной Большого взрыва? Но мы покроем вопрос крошки Билли козырной картой: разве мы уверены, что Большой взрыв вообще был? Наблюдать его, похоже, было некому. Более того, даже хотя мы можем заглянуть в прошлое, наблюдая все более и более далекие объекты, Большого взрыва мы не видим, так что доказательства у нас только косвенные. Именно поэтому мы и начали разговор с того, что знаем наверняка.

¹ Неужели вы не понимаете, что это нанесет младенцу страшную душевную травму?! Поосторожнее с этой вашей физикой.

По самым точным оценкам, основанным на расширении Вселенной, она насчитывает 13,7 миллиарда лет, и в данный момент пространство в основном пусто, о чем мы и говорили в предыдущей главе. Однако пространства ужасно много, и по нему разбросано ужасно много вещества — оно просто сильно рассеяно. Помимо темной материи, темной энергии, звезд, пыли и газа, с которыми вы уже знакомы, Вселенная битком набита светом. Да, конечно, на вид она темная, и вас, вероятно, обманом заставили считать, будто весь этот свет происходит от ярких светлых объектов вроде Солнца. Не дайте себя одурачить! Вклад звездного света (в том числе и солнечного) в общий свет во Вселенной ничтожно мал. На каждый атом во Вселенной приходится около миллиарда фотонов, и эти фотоны — или подавляющее их большинство — зародились почти что в начале времен. Несмотря на то, что фотоны кругом так и роятся, мы их почти никогда не замечаем, поскольку, хотя фонового излучения очень много, оно обладает крайне низкой энергией. Это следствие того факта, что все разгоряченные тела излучают свет¹, даже если глазом его не видно. Солнце, температура на котором составляет около 5800 градусов выше абсолютного нуля², светится видимым светом. Люди при комнатной температуре светятся инфракрасным светом. Вселенная при температуре около 3 градусов выше абсолютного нуля светится в микроволновом (радио) диапазоне, и мы довольно долго не подозревали о существовании этого излучения.

¹ Да-да, мы тоже можем отпускать детсадовские шуточки. Хорошо, что вы их понимаете.

² Абсолютный ноль — это минимальная возможная температура (-273° по Цельсию или -460° по Фаренгейту), при которой останавливается движение атомов.

В 1964 году Арно Пензиас и Роберт Уилсон работали в лабораториях Белла над разработкой первых образцов спутниковой связи. Включив свои приемники, они зарегистрировали интерференцию — но поступивший сигнал БЫЛ НЕ ИЗ НАШЕГО МИРА. Радиоприемник зафиксировал постоянный шум, который не исчезал, куда бы ни направляли антенну. Внеземной сигнал, который услышали исследователи, и был микроволновым излучением ранней Вселенной.

В старые времена (лет десять назад) вы бы могли засечь это излучение безо всякого специального оборудования. Когда большинство телевизоров получали сигнал через радиоволны, примерно 1% шума на каждом канале, где не было сигнала, приходился на долю первобытного излучения. Теперь, когда все переведено в цифровой формат, повторить опыт Пензиаса и Уилсона при помощи своего телевизора уже невозможно. Да и незачем. Они свою Нобелевку уже получили.

Фоновое излучение имеет практически постоянную температуру, какой участок неба ни возьми. Практически, но не совсем. Если сравнивать температуру малюсеньких участков неба, излучение окажется чуть теплее или чуть холоднее — пусть и в пределах нескольких миллионных долей градуса.

В 2001 году НАСА запустило Уилкинсоновский датчик микроволновой анизотропии (WMAP) с целью исследовать мозаику «горячих» и «холодных» участков во Вселенной, и ниже мы приводим полученную карту. Она похожа на обычную карту Земли, которую вы, наверное, видели в атласе, с тем исключением, что вы стоите не на поверхности глобуса — представьте себе, что вы стоите в середине, а карта показывает, как выглядит небо.

Перед вами — детская фотография Вселенной. Вы думали, нет ничего хуже капризного ребеночка в фотоателье? Так вот эту фотографию делали пять лет и потратили на нее около ста сорока миллионов долларов. В отличие от детишек, Вселенная растет отнюдь не на глазах,— тогда зачем же вообще было делать это фото?

Взгляните на светлые и темные крапинки. Это области, где фоновое излучение чуть холоднее или чуть теплее среднего. Наше «чуть», повторяем,— это различие в одну стотысячную, а то и миллионную долю. Однако мы завели этот разговор не из праздного интереса. Давным-давно, на заре Вселенной, крошечные колебания температуры соответствовали крошечным колебаниям плотности атомов и темной материи. Чуть более плотные участки стали зародышами галактик, о которых мы говорили ранее.

Присмотреться к фоновому излучению стоит и еще по одной причине. Чем дальше мы заглядываем в прошлое, тем меньше становится Вселенная. Это значит, все на свете — фотоны, атомы, темная материя — будет сползаться все ближе и ближе друг к другу, а Вселенная в целом станет все более и более насыщена энергией. Вклад фотонов становится особенно важным, именно когда мы заглядываем в прошлое, поскольку, когда Вселенная становится меньше, длины волн отдельных фотонов тоже уменьшаются. Это мы видели в главе 6, когда говорили о «красном сдвиге», происходящем из-за расширения Вселенной. Коротковолновой свет означает, что раньше у каждого фотона было больше энергии. Получается, что раньше не только сахар был слаще и небо голубее, но и излучение плотнее и фотоны энергичнее.

Главный вывод из всего этого таков: чем дальше мы заглядываем в прошлое, тем горячее становится Вселенная и тем выше относительный вклад фотонов в общую энергетическую плотность. Поэтому, например, когда размер Вселенной был всего 1% от нынешнего, то есть примерно через 17 миллионов лет после Большого взрыва, во всей Вселенной царила комнатная температура. А до этого… здесь начинается самое интересное.

Почему мы не можем проследить все развитие Вселенной до самого Большого взрыва? >>